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基于verilog实现SPI从机接口代码及仿真

  • 2026-09-14 18:58:51
基于verilog实现SPI从机接口代码及仿真

一、前言

上篇文章已经介绍了SPI接口的时序情况,SPI从机的接口时序和SPI主机接口时序基本一致,因此不进行叙述,大家如有需要自行查看。还是那句话,技术的发展离不开所有人的共同努力,希望本次分享,对大家能有所帮助,有收获。

二、SPI从机接口

SCLK(Serial Clock):时钟信号,由主机产生并输出给所有从机。

时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)共同决定数据采样边沿,形成四种工作模式:

模式0:CPOL=0,CPHA=0(上升沿采样)

模式1:CPOL=0,CPHA=1(下降沿采样)

模式2:CPOL=1,CPHA=0(下降沿采样)

模式3:CPOL=1,CPHA=1(上升沿采样)

MOSI(Master Out Slave In):主机输出、从机输入数据线。在时钟驱动下,主机通过此线向从机发送指令或数据。

MISO(Master In Slave Out):主机输入、从机输出数据线。从机通过此线响应主机请求,输出数据或状态信息。

CS/SS(Chip Select/Slave Select):片选信号,低电平有效。主机通过拉低对应从机的片选线激活该从机,实现多从机系统中的设备寻址。这是SPI区别于其他总线的重要特征——每个从机需要独立的片选线。

三、从机工作原理

1. 初始化配置从机上电后需配置SPI控制器参数:工作模式(与主机一致)、数据位宽(通常为8位或16位)、时钟速率上限、数据顺序(MSB/LSB优先)。从机内部包含移位寄存器、数据缓冲区和控制逻辑。

2. 片选锁定当主机拉低某从机的片选信号时:

  • 该从机被唤醒,准备接收时钟信号;

  • 其他未被选中的从机保持MISO高阻态,避免总线冲突;

  • 部分从机会在片选下降沿时复位内部状态机。

3. 数据传输过程以8位数据、模式0为例的典型时序:

  • 主机在SCLK下降沿改变MOSI数据从机在;

  • SCLK上升沿采样MOSI数据位,存入移位寄存器;

  • 同时,从机在SCLK上升沿将MISO数据位置于总线;

  • 主机在SCLK下降沿采样MISO数据;

  • 完成8个时钟周期后,一个字节传输完毕。

四、从机代码实现

`timescale 1ns / 1ps//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Company: // Engineer: // Create Date: 2026/01/21 19:00:20// Module Name: spi_slave/*SPI从机接口Verilog实现1. 支持CPOL/CPHA可配置,适配所有SPI模式(0/1/2/3)2. 双寄存器同步外部输入,避免亚稳态3. 8位数据位宽(可参数修改)4. 全双工通信,独立的收/发数据寄存器5. 提供接收完成、发送完成中断标志*/ //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////module spi_slave #(    parameter DATA_WIDTH = 8,          // SPI数据位宽    parameter CPOL       = 0,          // 时钟极性:0=空闲低,1=空闲高    parameter CPHA       = 0           // 时钟相位:0=第一个边沿采样,1=第二个边沿采样)(    input  wire                     clk,        // 本地时钟(如50MHz)    input  wire                     rst_n,      // 低电平复位    // SPI从机接口(外部主机)    input  wire                     spi_sclk,   // SPI时钟(主机提供)    input  wire                     spi_cs_n,   // SPI片选(低有效,主机提供)    input  wire                     spi_mosi,   // 主机发、从机收    output reg                      spi_miso,   // 从机发、主机收    // 内部接口    input  wire [DATA_WIDTH-1:0]    tx_data,    // 待发送给主机的数据    output reg [DATA_WIDTH-1:0]     rx_data,    // 从主机接收的数据    output reg                      rx_done,    // 接收完成标志(高有效,一个clk周期)    output reg                      tx_done     // 发送完成标志(高有效,一个clk周期));// --------------------------同步外部异步信号,避免亚稳态 --------------------------reg [1:0] sclk_sync;  // SCLK同步寄存器reg [1:0] cs_n_sync;  // CS_n同步寄存器reg [1:0] mosi_sync;  // MOSI同步寄存器always @(posedge clk or negedge rst_n) begin    if(!rst_n) begin        sclk_sync <= 2'b00;        cs_n_sync <= 2'b11;  // 片选默认高        mosi_sync <= 2'b00;    end else begin        sclk_sync <= {sclk_sync[0], spi_sclk};        cs_n_sync <= {cs_n_sync[0], spi_cs_n};        mosi_sync <= {mosi_sync[0], spi_mosi};    endend// 同步后的信号wire sclk_sync_out  = sclk_sync[1];wire cs_n_sync_out  = cs_n_sync[1];wire mosi_sync_out  = mosi_sync[1];// --------------------------检测SCLK的边沿(上升沿/下降沿) --------------------------reg sclk_delay;  // SCLK延迟一拍,用于边沿检测always @(posedge clk or negedge rst_n) begin    if(!rst_n) begin        sclk_delay <= 1'b0;    end else begin        sclk_delay <= sclk_sync_out;    endend// 边沿检测:根据CPOL判断有效边沿wire sclk_posedge = (sclk_sync_out == 1'b1) && (sclk_delay == 1'b0);  // 上升沿wire sclk_negedge = (sclk_sync_out == 1'b0) && (sclk_delay == 1'b1);  // 下降沿wire sample_edge  = (CPHA == 0) ? sclk_posedge : sclk_negedge;        // 采样边沿(接收数据)wire shift_edge   = (CPHA == 0) ? sclk_negedge : sclk_posedge;        // 移位边沿(发送数据)// -------------------------位计数器 --------------------------reg [3:0] bit_cnt; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin    if(!rst_n) begin        bit_cnt <= 4'd0;    end elseif(cs_n_sync_out) begin  // 片选拉高,复位计数器        bit_cnt <= 4'd0;    end elseif(sample_edge) begin    // 每采样一次,计数器+1        if(bit_cnt == DATA_WIDTH - 1) begin            bit_cnt <= 4'd0;        end else begin            bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;        end    endend// --------------------------接收数据(MOSI) --------------------------reg [DATA_WIDTH-1:0] rx_data_reg;  // 接收数据寄存器always @(posedge clk or negedge rst_n) begin    if(!rst_n) begin        rx_data_reg <= {DATA_WIDTH{1'b0}};        rx_data     <= {DATA_WIDTH{1'b0}};        rx_done     <= 1'b0;    end elseif(cs_n_sync_out) begin          rx_data_reg <= {DATA_WIDTH{1'b0}};        rx_done     <= 1'b0;    end elseif(sample_edge) begin    // 采样边沿,接收1位数据(高位先行)        rx_data_reg <= {rx_data_reg[DATA_WIDTH-2:0], mosi_sync_out};        if(bit_cnt == DATA_WIDTH - 1) begin            rx_data <= {rx_data_reg[DATA_WIDTH-2:0], mosi_sync_out};            rx_done <= 1'b1;         // 最后一位采样完成,置位接收完成标志        end else begin            rx_done <= 1'b0;        end    end else begin        rx_done <= 1'b0;  // 仅保持一个clk周期    endend// --------------------------发送数据(MISO) --------------------------reg  cs_n_sync_out_d1;reg  cs_n_sync_out_d2;reg [DATA_WIDTH-1:0] tx_data_reg;  // 发送数据寄存器always @(posedge clk or negedge rst_n) begin    if(!rst_n) begin        tx_data_reg <= {DATA_WIDTH{1'b0}};        spi_miso    <= 1'b0;        tx_done     <= 1'b0;    end elseif(cs_n_sync_out) begin  // 片选拉高,复位发送逻辑        tx_data_reg <= {DATA_WIDTH{1'b0}};        spi_miso    <= 1'b0;        tx_done     <= 1'b0;    end if((cs_n_sync_out_d2 ==1'b1) & (cs_n_sync_out_d1 ==1'b0))begin  // 初始阶段,加载待发送数据        tx_data_reg <= tx_data;        spi_miso    <= tx_data[DATA_WIDTH-1];  // 发送最高位        tx_done     <= 1'b0;    end elseif(shift_edge) begin                  // 移位边沿,发送下一位        tx_data_reg <= {tx_data_reg[DATA_WIDTH-2:0], 1'b0};        spi_miso    <= tx_data_reg[DATA_WIDTH-2];        if(bit_cnt == DATA_WIDTH - 1) begin            tx_done <= 1'b1;        // 最后一位发送完成,置位发送完成标志        end else begin            tx_done <= 1'b0;        end    end else begin        tx_done <= 1'b0;  // 仅保持一个clk周期    endend// 将CS信号进行延迟处理,再给发送模块,从机发送数据给主机always @(posedge clk or negedge rst_n) begin    if(!rst_n) begin       cs_n_sync_out_d1 <= 1'd0;       cs_n_sync_out_d2 <= 1'd0;    end else begin       cs_n_sync_out_d1 <= cs_n_sync_out;       cs_n_sync_out_d2 <= cs_n_sync_out_d1;    end end endmodule
`timescale 1ns / 1ps//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Company: // Engineer: // Create Date: 2026/01/21 19:00:50// Module Name: tb_spi_slave /* SPI从机Testbench测试模块 功能: 1. 模拟SPI主机行为,产生SCLK、CS_n、MOSI信号 2. 驱动SPI从机,验证收/发数据功能 3. 打印测试结果,自动校验数据正确性 测试配置:SPI模式0(CPOL=0, CPHA=0),8位数据位宽 *///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////module tb_spi_slave();// --------------------------参数定义 --------------------------parameter CLK_FREQ    = 50_000_000;  // 本地时钟频率50MHzparameter SPI_FREQ    = 5_000_000;   // SPI时钟频率5MHzparameter DATA_WIDTH  = 8;           // 8位数据位宽parameter CPOL        = 0;           // SPI模式0:CPOL=0parameter CPHA        = 0;           // SPI模式0:CPHA=0localparam CLK_PERIOD = 1_000_000_000 / CLK_FREQ;    // 本地时钟周期20nslocalparam SPI_PERIOD = 1_000_000_000 / SPI_FREQ;    // SPI时钟周期200ns// --------------------------信号声明 --------------------------// 系统信号reg         clk;reg         rst_n;// SPI从机接口reg         spi_sclk;reg         spi_cs_n;reg         spi_mosi;wire        spi_miso;// 从机内部接口reg  [DATA_WIDTH-1:0] tx_data;  // 从机待发送数据wire [DATA_WIDTH-1:0] rx_data;  // 从机接收数据wire        rx_done;            // 从机接收完成wire        tx_done;            // 从机发送完成// 测试用内部信号reg  [DATA_WIDTH-1:0] host_tx_data;  // 主机待发送给从机的数据reg  [DATA_WIDTH-1:0] host_rx_data;  // 主机从从机接收的数据reg         test_done;               // 测试完成标志reg         test_pass;               // 测试通过标志// --------------------------例化SPI从机模块 --------------------------spi_slave #(    .DATA_WIDTH(DATA_WIDTH),    .CPOL(CPOL),    .CPHA(CPHA)) u_spi_slave (    .clk       (clk       ),    .rst_n     (rst_n     ),    .spi_sclk  (spi_sclk  ),    .spi_cs_n  (spi_cs_n  ),    .spi_mosi  (spi_mosi  ),    .spi_miso  (spi_miso  ),    .tx_data   (tx_data   ),    .rx_data   (rx_data   ),    .rx_done   (rx_done   ),    .tx_done   (tx_done   ));// --------------------------产生本地时钟 --------------------------initial begin    clk = 1'b0;    forever #(CLK_PERIOD/2) clk = ~clk;  // 50MHz时钟,20ns周期end// --------------------------测试主流程 --------------------------initial begin//初始化信号    rst_n          = 1'b0;    spi_sclk       = 1'b0;    spi_cs_n       = 1'b1;  // 片选默认拉高    spi_mosi       = 1'b0;    tx_data        = 8'hA5; // 从机待发送数据:0xA5(10100101)    host_tx_data   = 8'h3C; // 主机待发送数据:0x3C(00111100)    host_rx_data   = 8'h00;    test_done      = 1'b0;    test_pass      = 1'b1;//复位    #(10*CLK_PERIOD);    rst_n = 1'b1;    #(10*CLK_PERIOD);//启动SPI通信(主机驱动)    spi_cs_n = 1'b0;  // 拉低片选,开始通信    #(SPI_PERIOD/2);  // 对齐时钟边沿//模拟主机发送SCLK和MOSI,同时接收MISO    send_spi_data();//通信结束    spi_cs_n = 1'b1;  // 拉高片选    #(10*CLK_PERIOD);// --------------------------模拟主机SPI数据收发子任务 --------------------------task send_spi_data();    integer i;begin    host_rx_data = 8'h00;    // 逐位发送MOSI,接收MISO(高位先行)    for(i = DATA_WIDTH-1; i >= 0; i = i - 1) begin        // 模式0:CPOL=0, CPHA=0 → 上升沿采样,下降沿移位        spi_mosi = host_tx_data[i];  // 放置当前位到MOSI        #(SPI_PERIOD/2);        spi_sclk = 1'b1;             // 拉高SCLK(从机采样MOSI)        #(SPI_PERIOD/4);        host_rx_data[i] = spi_miso;  // 主机采样MISO        #(SPI_PERIOD/4);        spi_sclk = 1'b0;             // 拉低SCLK(从机移位发送下一位)    endendendtaskendmodule

仿真图如下所示:

五、总结

在设计SPI从机接口逻辑时需充分考虑与SPI主机的时序匹配,确保SPI通信的可靠性。正常情况下,大多数的SPI接口开发基本只要实现SPI接口的主机发送和接收,完成寄存器配置等功能,但是对SPI从机接口的开发最好了解,以备后续开发需要。

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